年產(chǎn)百萬件曲軸數(shù)字化鍛造車間研制與應(yīng)用

羅紅艷

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)曲軸鍛造車間的數(shù)字化監(jiān)測、控制及智能生產(chǎn)，以桂林福達(dá)重工鍛造有限公司曲軸鍛造車間為研究和應(yīng)用背景，研制和開發(fā)了年產(chǎn)百萬件曲軸數(shù)字化鍛造車間，構(gòu)建完備的智能化鍛造裝備與鍛造車間數(shù)字化體系。利用現(xiàn)代化自動鍛造生產(chǎn)線及成套鍛造技術(shù)裝備，結(jié)合智能化感知與在線檢測裝備搭建曲軸鍛造車間的數(shù)字化平臺，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化鍛造智能控制系統(tǒng)的高度集成，并采用profibus網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時遠(yuǎn)程集中監(jiān)測與維護(hù)。為改善鍛造生產(chǎn)的勞動環(huán)境，將鍛造產(chǎn)業(yè)從勞動密集型轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)密集型提供了一種重要的技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：曲軸；數(shù)字化；鍛造車間

中圖分類號：TG31 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）15-0069-02

1 曲軸數(shù)字化鍛造車間系統(tǒng)組成

桂林福達(dá)智能化鍛造車間由四個系統(tǒng)集成：現(xiàn)代化鍛造生產(chǎn)線及相關(guān)鍛造成套技術(shù)與設(shè)備；鍛造生產(chǎn)智能化感知與在線監(jiān)測裝備；數(shù)字化鍛造智能控制系統(tǒng)集成及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架和鍛造生產(chǎn)專家決策系統(tǒng)。

1.1 現(xiàn)代化鍛造生產(chǎn)線及相關(guān)鍛造成套技術(shù)與設(shè)備

根據(jù)鍛造生產(chǎn)過程中物料的傳輸過程和鍛造工藝特點(diǎn)，整個智能化鍛造線的物料傳送均由多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)，所配設(shè)備均配置了數(shù)字化系統(tǒng)和在線監(jiān)控裝置，關(guān)鍵智能部件包括自動上下料、均衡化柔性生產(chǎn)、加工參數(shù)優(yōu)化、生產(chǎn)過程實(shí)時監(jiān)控、數(shù)字化物流跟蹤、在線高精度監(jiān)測、設(shè)備故障自動預(yù)警、MES管理、安全冗余生產(chǎn)監(jiān)控、遠(yuǎn)程診斷與維護(hù)系統(tǒng)，以及專家決策系統(tǒng)?？稍诰€進(jìn)行溫度檢測、關(guān)鍵設(shè)備打擊力、軋制力、輸出能量、鍛件位置檢測等，并可在線進(jìn)行典型曲軸產(chǎn)品鍛造生產(chǎn)的故障診斷和智能處理，此外，還可實(shí)現(xiàn)典型曲軸產(chǎn)品鍛造生產(chǎn)的管理監(jiān)控，包括產(chǎn)能統(tǒng)計(jì)、物流管理、成本統(tǒng)計(jì)、生產(chǎn)進(jìn)度、生產(chǎn)質(zhì)量等。

1.2 鍛造生產(chǎn)智能化感知與在線檢測裝備

鍛造自動智能化感知與在線檢測裝備包括成型過程中位置精度的在線檢測系統(tǒng)、智能視覺識別系統(tǒng)、成型過程中關(guān)鍵設(shè)備的打擊力、軋制力、輸出能量實(shí)時測量和記錄以及鍛件溫度、模具溫度實(shí)時測量和記錄。

成型過程中位置精度的在線檢測系統(tǒng)采用激光對射檢測系統(tǒng)和智能視覺識別系統(tǒng)實(shí)時檢測、實(shí)時反饋，通過上級專家決策層來解決此類故障；成型過程中模具磨損程度的在線檢測采用二維檢測傳感器檢測技術(shù)來實(shí)現(xiàn)成型過程中模具磨損程度的在線檢測，并將統(tǒng)計(jì)存儲數(shù)據(jù)實(shí)時或在一定生產(chǎn)周期結(jié)束后一次性通過MES系統(tǒng)上傳到工藝設(shè)計(jì)部門，作為修改工藝和模具設(shè)計(jì)的依據(jù)，以便操作人員實(shí)時了解模具狀態(tài)并對模具進(jìn)行及時保養(yǎng)；鍛件的終鍛溫度變化對于鍛后熱處理結(jié)果有著重要的影響，終鍛結(jié)束檢測鍛件實(shí)時溫度，經(jīng)專家系統(tǒng)分析和處理，由總線控制系統(tǒng)支配執(zhí)行元件機(jī)器人送到不同的鍛后熱處理工藝通道。

1.3 數(shù)字化鍛造智能控制系統(tǒng)集成及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

數(shù)字化鍛造智能控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)以下四部分功能：首先，聯(lián)接生產(chǎn)線各單機(jī)設(shè)備、現(xiàn)場級感知元件與執(zhí)行系統(tǒng)，并將采集到的信號分析重組、通過中央PLC進(jìn)行智能決策后，對生產(chǎn)線各設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)管理與監(jiān)控。其次，它能聯(lián)接車間級多條生產(chǎn)線，通過MES系統(tǒng)優(yōu)化企業(yè)的信息化管理，加強(qiáng)企業(yè)對生產(chǎn)狀態(tài)的了解，以及對生產(chǎn)成本的控制。再者，鍛造線的鍛件高溫、機(jī)器人高速、壓力機(jī)重載特性使得生產(chǎn)線控制系統(tǒng)必須集成安全功能才能更好的保護(hù)人員和設(shè)備。為此，開辟安全數(shù)據(jù)專屬流通通道，提升控制系統(tǒng)的安全等級也是智能控制系統(tǒng)集成的重要組成部分。最后，建立能快速排查生產(chǎn)線故障的遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷、故障排除、遠(yuǎn)程協(xié)助等功能。

基于上述智能控制系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架對應(yīng)劃分為四層：現(xiàn)場總線profibus-dp網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場級安全總線saftybus-p總線，車間級profinet工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)以及工廠級以太網(wǎng)，上述四層網(wǎng)絡(luò)層疊相交，組成了數(shù)字化鍛造線融合式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

1.4 鍛造生產(chǎn)專家決策系統(tǒng)

專家決策系統(tǒng)示意圖如圖1所示。在鍛造的過程中，一旦出現(xiàn)問題，操作界面能夠自動彈出專家決策系統(tǒng)，將發(fā)現(xiàn)的問題及提供的決策方案告知用戶。對于專家決策系統(tǒng)來說，要求能實(shí)時采集各種現(xiàn)場檢測和控制數(shù)據(jù)信息，并且能夠在問題出現(xiàn)時，迅速分析出解決方案，因而專家決策系統(tǒng)的實(shí)時性顯得尤為重要。而當(dāng)專家決策系統(tǒng)推理過程較快時，其推理結(jié)果需要在規(guī)定的時間內(nèi)滿足要求，并且還要保證推理結(jié)果的正確性。所以專家系統(tǒng)的推理時間、自身的推理模式、知識庫結(jié)構(gòu)和知識條內(nèi)容翔實(shí)程度、計(jì)算機(jī)性能及專家系統(tǒng)支持語言等元素如何進(jìn)行綜合考慮，也是專家決策系統(tǒng)先進(jìn)性體現(xiàn)的重點(diǎn)。

2 上位機(jī)界面平臺

上位機(jī)界面平臺用于實(shí)時顯示曲軸數(shù)字化鍛造車間系統(tǒng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以及實(shí)現(xiàn)歷史信息的查詢。

2.1 數(shù)據(jù)管理界面

數(shù)據(jù)管理界面如圖2所示。用戶設(shè)置查詢條件生產(chǎn)線，設(shè)備，參數(shù) 起始時間查看歷史數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)按照采樣時間排列；并在圖框中顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)的散點(diǎn)圖，方便工作人員直觀掌握設(shè)備狀態(tài)。

2.2 控制圖及故障診斷界面

控制圖及故障診斷界面如圖3所示。當(dāng)SPC控制圖發(fā)生異常時，點(diǎn)擊診斷按鈕可到處理意見的診斷報(bào)告；同時可以選取觀察到的異?，F(xiàn)象，結(jié)合SPC控制圖得出的結(jié)論以及故障樹，進(jìn)行故障的規(guī)則推理，得到診斷報(bào)告。如果SPC控制圖未發(fā)生異常，可直接通過異?，F(xiàn)象查找故障原因，生成故障報(bào)告并可以以word文檔形式保存。

3 項(xiàng)目實(shí)施效果及效益分析

桂林福達(dá)股份有限公司是一家生產(chǎn)銷售發(fā)動機(jī)曲軸、汽車離合器、汽車齒輪等汽車零部件和精密鍛件為主營業(yè)務(wù)的高新技術(shù)企業(yè)，是桂林市的龍頭企業(yè)。旗下桂林福達(dá)重工鍛造有限公司建成的14000T、12500T、8000T、6300T熱模鍛生產(chǎn)線，主要生產(chǎn)發(fā)動機(jī)曲軸、汽車前軸、轉(zhuǎn)向節(jié)以及工程機(jī)械、船舶機(jī)械、航空航天等大型精密鍛件。是目前國內(nèi)規(guī)模最大、工藝裝備水平最先進(jìn)的精密鍛件生產(chǎn)企業(yè)，年產(chǎn)發(fā)動機(jī)曲軸鍛件100萬件以上。

曲軸數(shù)字化鍛造車間的建立對鍛造行業(yè)具有引領(lǐng)示范效果，該項(xiàng)目也是中國鍛造行業(yè)第一個得到國家智能專項(xiàng)支持的項(xiàng)目。通過項(xiàng)目實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了鍛造車間的數(shù)字化建設(shè)和智能裝備系統(tǒng)的集成化應(yīng)用，提高了鍛件生產(chǎn)的穩(wěn)定性和生產(chǎn)節(jié)拍。同時通過鍛造車間的數(shù)字化控制和管理，提升生產(chǎn)效率、降低能耗，利用設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)故障的快速診斷和恢復(fù)，從而提高生產(chǎn)節(jié)拍，降低生產(chǎn)成本。通過本項(xiàng)目的實(shí)施，關(guān)鍵設(shè)備數(shù)控化率達(dá)到84.4%，生產(chǎn)效率提升38.28%，能耗降低31.08%，人員減少42.9%。將鍛造生產(chǎn)從人工依賴的模式提升到定量化和數(shù)字化制造模式，同時產(chǎn)品質(zhì)量顯著提高，交付周期縮短，產(chǎn)能提升，增強(qiáng)了市場競爭力，項(xiàng)目的實(shí)施給企業(yè)發(fā)展帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。建立了數(shù)字化鍛造示范工程，帶動并推進(jìn)整個鍛造行業(yè)的數(shù)字化進(jìn)步。

4 結(jié)語

本文以桂林福達(dá)股份有限公司曲軸生產(chǎn)車間為例，研究和開發(fā)了年產(chǎn)百萬件曲軸數(shù)字化鍛造車間，改進(jìn)了曲軸鍛造生產(chǎn)線、構(gòu)建了數(shù)字化鍛造車間的智能監(jiān)測系統(tǒng)、上位機(jī)組態(tài)監(jiān)測平臺以及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對鍛件生產(chǎn)工藝流程各環(huán)節(jié)的設(shè)備、裝置進(jìn)行基于視覺檢測等技術(shù)的智能感知與數(shù)字化控制，通過本項(xiàng)目的實(shí)施，桂林福達(dá)重工鍛造有限公司解決了已建成鍛造生產(chǎn)線所存在的智能化程度低的問題，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化鍛造車間的建設(shè)和智能裝備系統(tǒng)的集成化應(yīng)用，提高鍛件生產(chǎn)的穩(wěn)定性和生產(chǎn)節(jié)拍，為企業(yè)的發(fā)展帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

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